Физические свойства плёнок Cu для тонкопленочных фотопреобразователей
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
Физические свойства плёнок Cu для тонкопленочных фотопреобразователей
В данной работе представлены результаты исследования физических свойств тонких плёнок Cu, полученных методом отжига интерметаллических слоёв Cu-In-Ga в комбинированной атмосфере паров серы и селена в потоке инертного газа. Преимущества метода заключаются в возможности получения плёнок твёрдых растворов Cu (In, Ga) (S, Se)2 с шириной запрещенной зоны 1.5 эВ близкой к оптимуму солнечного излучения.
Прямозонный полупроводник CuInSe2 (CIS) и твердые растворы на его основе признаны наиболее перспективными материалами для создания солнечных элементов (CЭ) нового поколения высокоэффективных тонкопленочных фотопреобразователей большой площади. К настоящему времени эффективность преобразования СЭ с использованием поликристаллической пленки Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) в качестве поглощающего слоя достигла 19,2% [1]. CЭ с наиболее высокой эффективностью и промышленные модули созданы на основе этих материалов с соотношением [Ga]/([Ga]+[In]) порядка 2530%, имеющих ширину запрещенной зоны не более 1.2 эВ [2]. iелью оптимизации свойств CIGS поглощающего слоя ведутся исследования по получению пленок этих материалов с шириной запрещенной зоны 1.5 эВ, близкой к оптимуму солнечного излучения. Однако, решение этой задачи путем увеличения концентрации Ga в CIGS слое сопряжено с ухудшением микроструктурных характеристик оптически активного слоя. Кроме того, при использовании метода селенизации металлических слоев Cu-In-Ga образование однофазного соединения CuInxGa1-xSe2 протекает через сложные химические взаимодействия бинарных фаз с различными скоростями реакции, приводящими к сегрегации галлия у подложки и разделению CuGaSe2 и CuInSe2 фаз [3]. Следствием этих процессов является формирование поглощающего слоя с нежелательным профилем ширины запрещенной зоны по глубине и снижение эффективности преобразования СЭ. Частично эта проблема решается сульфиризацией синтезированных CIGS слоев. Однако для процесса сульфиризации более характерно образование в приповерхностной области широкозонного соединения CuInS2, чем выравнивание профиля концентрации галлия.
Возможным решением этой технологической проблемы является проведение отжига в комбинированной атмосфере, содержащей серу и селен, в результате которого синтезируется слой твердых растворов Cu (In, Ga) (S, Se)2. Ширина запрещенной зоны этого материала в зависимости от состава меняется в пределах 1.02.4 эВ, что предоставляет дополнительные преимущества варьирования физических характеристик поглощающего слоя. Пленки соединений CIGSS могут быть получены достаточно простым методом отжига слоев Cu/In/Ga в парах халькогенов S/Se.
В данной работе представлены результаты исследований физических свойств тонких плёнок CIGSS, полученных отжигом интерметаллических слоёв Cu-In-Ga в комбинированной атмосфере паров серы и селена в потоке инертного газа N2 (селенизацией/ сульфиризацией). Метод перспективен для получения однофазных плёнок Cu (In, Ga) (S, Se)2 большой площади с заданными свойствами.
Изучение механизма формирования Cu (In, Ga) Se2 пленок при селенизации базовых слоев показано, что движущей силой этого процесса, приводящего к образованию однофазного соединения (как Cu так и In-обогащенного) при достаточно высоком давлении селена является CuxSe фаза. Следует предполагать, что механизм роста соединения Cu (In, Ga) S2 должен быть подобен механизму роста соединения Cu (In, Ga) Se2, и движущей силой этого процесса является фаза CuxS. Учитывая более высокое парциальное давление паров серы по сравнению с парциальным давлением селена при одинаковых температурах (примерно на два порядка), процесс формирования пленки сложного соединения Cu (In, Ga) (S, Se)2 с доминирующими фазами на основе сульфидов должен происходить при относительно низких температурах 400450 0С. Низкотемпературный тип процесса позволяет уменьшить взаимодиффузию компонент и обеспечить образование однофазного соединения с контролируемым профилем распределения составляющих компонент.
Синтез тонких плёнок CIGSS проводился в два технологическихэтапа: формирование базовых слоёв Cu-In-Ga и их сульфиризация/ селенизация в S/Se-содержащей атмосфере азота.
На первом технологическом этапе методом ионно-плазменного распыления мишени на стеклянной подложке (марки Corning-glass) формировался базовый слой (precursor) Cu-In-Ga. Процесс проводился в атмосфере аргона при давлении 2,7102Па. Температура подложек составляла 1000С. Состав составной трехкомпонентной (Cu, In, Ga) мишени расiитывался исходя из атомного веса её компонентов и стехиометрической формулы синтезируемого соединения.
Селенизация/сульфиризация металлических слоев Cu-In-Ga проводилась в кварцевом реакторе, в промышленной диффузионной печи СДО 125/315 в атмосфере инертного газа (азота), подаваемого по технологической магистрали. Соотношение масс серы и селена Se/S варьировалось в пределах 0.1 0.4. В целях достижения однородности соединения Cu (In, Ga) (S, Se)2 на всей площади подложки, зависящей от плотности и давления паров халькогенов, варьировались расположение твердотельных источников в пазах лодочки, а также использовались лодочки разных конструкций. Первая стадия проводилась при температуре около 250С в течение 10мин. Затем температура повышалась до 400550С, скорость повышения температуры составляла 9СтАвмин-1. Вторая стадия (рекристаллизация) проводилась в течение 20мин.
Кристаллическая структура и фазовый состав плёнок исследовались методом рентгеновского фазового анализа (РФА) с в области углов 2?=15?100 на CuK?-излуч